基于应变能的人工冻土分数阶导数蠕变模型

发布时间：2017-03-26 00:08

  本文关键词：基于应变能的人工冻土分数阶导数蠕变模型，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：人工冻土是一种粘弹性材料,在冻结法施工中掌握冻土的变形特性对安全建井至关重要。自我国在1955年首次采用冻结法凿井取得成功以来,人工冻土法主要运用于不稳定含水地层的凿井工程建设。近年来随着机械化水平逐渐提高,我国矿井向深部开采的规模逐渐扩大,煤炭产国将要面临煤矿深部开发所出现的工程问题。而对深厚的表土进行人工冻结凿井过程中也暴露出越来越多的工程问题,其中冻结壁变形过大造成冻结管的断裂现象已日益引起人们的重视。此类现象的出现主要由于冻结壁产生比较大的蠕变变形,冻结管发生弯曲变形,应力集中造成的。所以,研究人工冻土的蠕变性质对安全建井是非常必要的。本文正是基于对冻结黏土的蠕变试验数据,建立其黏弹塑性分数阶导数元件模型,利用粒子群算法对拟合的模型参数进行优化,从而分析预测冻结黏土的蠕变特性。本文的研究的主要内容有：通过对某矿井井孔检查孔代表性地层土样及其重塑土进行室内冻结抗压强度和蠕变试验获取不同加载应力下,各个负温条件的蠕变试验曲线；使用编程软件对建立的蠕变模型参数进行识别优化,从而得到蠕变模型的材料参数；对蠕变模型计算值和试验结果进行对比,判断模型曲线与试验蠕变曲线是否很好的吻合,并预测其他条件下冻土的蠕变特性。本文利用安徽理工大学土木建筑学院冻土研究所自制的WDT-100型微机控制电液伺服冻土单轴试验机进行力学性能试验。对原状土进行三个温度水平(-5℃、-10℃、-15℃),重塑土三个含水率、四个温度水平(-4℃、-8℃、-12℃、-16℃)的单轴抗压试验,得出其单轴抗压强度σs。再对原状土和重塑土相应温度水平下分别进行三个加载系数(0.3σs、0.5σs、0.7σs)条件下的单轴蠕变试验,获得了其蠕变曲线。通过对于本文研究的冻结砂质粘土的大量蠕变曲线的比较分析发现该类材料的蠕变曲线属于非衰减蠕变,由非稳定蠕变、稳定蠕变和加速蠕变三部分组成。基于传统的伯格斯模型不能描述冻土加速蠕变,本文运用分数阶导数的性质,建立了分数阶导数的伯格斯模型和基于应变能理论的分数阶伯格斯模型,同时利用粒子群的方法对两种伯格斯模型进行了数值拟合的优化,验证了粒子群优化下的两种模型在拟合冻土加速蠕变过程中的卓越性,两种模型都可以很好的描述蠕变全过程曲线。
【关键词】：人工冻土 伯格斯模型 粒子群 分数阶导数 蠕变 perzyna
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU445
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 1 绪论15-22
• 1.1 课题来源15
• 1.2 课题研究的背景15-16
• 1.3 国内外的研究动态16-20
• 1.3.1 人工冻土流变特性的研究现状16-17
• 1.3.2 分数阶微积分理论的来源、推广及在冻土蠕变的运用17-18
• 1.3.3 perzyna粘弹性理论及其在冻土加速蠕变的研究18-19
• 1.3.4 粒子群优化算法模型参数的识别19-20
• 1.4 本文研究内容及意义20-22
• 2 分数阶导数的基本理论及其分析22-37
• 2.1 分数微积分极其简单性质22-25
• 2.1.1 分数阶导数的定义22
• 2.1.2 分数阶导数的拉布拉斯变换和逆变换22-24
• 2.1.3 分数阶导数的性质24
• 2.1.4 分数阶导数计算公式24-25
• 2.2 分数阶导数元件模型25-37
• 2.2.1 基本元件的介绍及分数阶理论的引入25-27
• 2.2.2 基本原件的串联和并联27-28
• 2.2.3 分数阶导数麦斯威尔模型理论28-29
• 2.2.4 分数导数开尔文模型理论29-30
• 2.2.5 分数导数三元件固体模型理论30-32
• 2.2.6 分数导数伯格斯模型理论32-34
• 2.2.7 分数导数西原模型理论34-37
• 3 人工冻结原状、重塑黏土室内力学试验37-78
• 3.1 冻土单轴试验机介绍及试验土样的制备37-45
• 3.1.1 冻土单轴试验机的性能及相关参数37-39
• 3.1.2 土样的制备与养护39-45
• 3.1.2.1 原状土土样的制备养护39-41
• 3.1.2.2 重塑土土样的制备养护41-45
• 3.2 原状冻土试验45-54
• 3.2.1 原状土在不同温度下的单轴抗压强度试验45-51
• 3.2.1.1 原状土单轴抗压强度试验的介绍45
• 3.2.1.2 单轴抗压强度45-46
• 3.2.1.3 弹性模量46
• 3.2.1.4 泊松比46
• 3.2.1.5 试验结果46-49
• 3.2.1.6 单轴抗压强度与温度的关系49-50
• 3.2.1.7 弹性模量与温度的关系50-51
• 3.2.1.8 泊松比与温度的关系51
• 3.2.2 原状土在不同温度下的单轴蠕变压缩试验51-54
• 3.2.2.1 原状土单轴压缩蠕变试验的介绍51-52
• 3.2.2.2 试验结果52-54
• 3.2.2.3 试验结论54
• 3.3 重塑土冻结试验54-76
• 3.3.1 重塑土在不同温度下的单轴抗压强度试验54-70
• 3.3.1.1 重塑土单轴抗压强度试验的介绍54-55
• 3.3.1.2 试验结果55-63
• 3.3.1.3 单轴抗压强度与温度的关系63-65
• 3.3.1.4 单轴抗压强度与含水率的关系65-68
• 3.3.1.5 弹性模量与温度的关系68-70
• 3.3.2 重塑土在不同温度下的单轴蠕变压缩试验70-76
• 3.3.2.1 重塑土单轴压缩蠕变试验的介绍70-71
• 3.3.2.2 试验结果71-76
• 3.3.2.3 试验结论76
• 3.4 本章小结76-78
• 4 基于perzyna理论的分数阶导数伯格斯蠕变模型78-93
• 4.1 分数阶导数伯格斯模型78-79
• 4.1.1 分数阶导数伯格斯模型本构方程的建立78
• 4.1.2 分数阶导数伯格斯模型本构方程的拟合参数表78-79
• 4.2 基于应变能理论的分数阶伯格斯蠕变模型79-83
• 4.2.1 基于应变能理论的分数阶伯格斯蠕变模型本构方程的建立79-82
• 4.2.2 模型本构方程拟合参数表82-83
• 4.4 拟合结果比较图83-92
• 4.4.1 原状土拟合结果图83-86
• 4.4.2 重塑土拟合结果图86-92
• 4.5 本章小结92-93
• 5 结论和展望93-95
• 5.1 结论93-94
• 5.2 展望94-95
• 参考文献95-98
• 致谢98-99
• 个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果99

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 陈军浩;姚兆明;徐颖;王厚良;;人工冻土蠕变特性粒子群分数阶导数模型[J];煤炭学报;2013年10期

2 姚兆明;周洋;徐颖;王厚良;;人工冻土遗传分数阶导数加速伯格斯蠕变模型[J];工业建筑;2013年11期

3 周宏伟;王春萍;段志强;张淼;刘建锋;;基于分数阶导数的盐岩流变本构模型[J];中国科学:物理学 力学 天文学;2012年03期

4 齐亚静;姜清辉;王志俭;周创兵;;改进西原模型的三维蠕变本构方程及其参数辨识[J];岩石力学与工程学报;2012年02期

5 焦贵德;赵淑萍;马巍;;长期循环荷载下冻土内部温度变化的试验研究[J];岩土力学;2011年S2期

6 罗汀;罗小映;;适用于冻土的广义非线性强度准则[J];冰川冻土;2011年04期

7 李栋伟;汪仁和;范菊红;;软岩试件非线性蠕变特征及参数反演[J];煤炭学报;2011年03期

8 杨玉贵;赖远明;蒲毅彬;李靖波;;高含冰量冻结粉土单轴受压损伤特性试验分析[J];岩土力学;2010年10期

9 张慧琛;;分数阶微积分的一些性质及证明[J];忻州师范学院学报;2010年02期

10 银花;陈宁;赵尘;王大明;;分数阶导数型粘弹性结构动力学方程的数值算法[J];南京林业大学学报(自然科学版);2010年02期

  本文关键词：基于应变能的人工冻土分数阶导数蠕变模型，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：267974